內(nèi)蒙古森林—草原交錯(cuò)帶中野生東北馬鹿冬季食物組成模式

周良俊 王琳 魏楷麗 張明海 張瑋琪

（東北林業(yè)大學(xué)野生動(dòng)物與自然保護(hù)地學(xué)院，哈爾濱 150040）

野生動(dòng)物的食物具有多物種、多成分和多類型的特征，不同食物功用差異顯著(Raubenheimer and Simpson, 2009)，且食物的種類、質(zhì)量和數(shù)量在時(shí)間和空間上多變。因此，動(dòng)物在不同的時(shí)間段，選擇合適的地點(diǎn)，采食所需的食物，并攝入一定的數(shù)量，經(jīng)過體內(nèi)一系列協(xié)同、拮抗作用，所食食物經(jīng)同化和重新分配等代謝過程，以滿足身體的營養(yǎng)需求，使其能夠生存(Feltonet al.,2009, 2016; Raubenheimeret al., 2009; Sperfeldet al.,2012;Wamet al.,2018)。食物的處理和消化吸收過程會(huì)影響種群中的每個(gè)個(gè)體，從而使整個(gè)種群表現(xiàn)出特定的食物組成模式，且這種食物組成模式會(huì)在不同時(shí)間和不同環(huán)境因子(氣候、海拔、緯度、水深等) 影響下發(fā)生變化(Graham and Vrijenhoek, 1988; Brewsteret al., 2016; Goldmanet al.,2016;Whitehouseet al.,2017)。

東北馬鹿(Cervus elaphus xanthopygus)主要分布于東北大、小興安嶺及長白山等林區(qū)，是高格斯臺(tái)罕烏拉國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的主要保護(hù)對象，同時(shí)也是內(nèi)蒙古森林—草原交錯(cuò)帶中的關(guān)鍵物種。內(nèi)蒙古高格斯臺(tái)罕烏拉國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)為典型的蒙古櫟(Quercus mongolica) 林、山楊(Populus davidiana)林等森林植被類型與大針茅(Stipa grandis)草原、貝加爾針茅(Stipa baicalensis)草原等草原植被類型共存的森林—草原交錯(cuò)帶(鄧芳，2005)。生態(tài)交錯(cuò)帶(Ecotone)即相鄰生態(tài)系統(tǒng)的過渡帶，其特征由相鄰生態(tài)系統(tǒng)之間相互作用的空間、時(shí)間和強(qiáng)度所決定(Holland,1988)。通常，在生態(tài)交錯(cuò)帶中植物多樣性越高，群落結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，這為動(dòng)物提供了更多的隱蔽和攝食條件(王慶鎖等，1997)。生態(tài)交錯(cuò)帶對干擾或環(huán)境變化具有較強(qiáng)的敏感性，天氣、氣候、降雨量和自然大火等非生物因素以及食草動(dòng)物的選擇性采食行為等會(huì)對生態(tài)交錯(cuò)帶中的植物群落產(chǎn)生影響。同時(shí)，植物群落結(jié)構(gòu)的改變也會(huì)影響食草動(dòng)物的食物組成、分布、種群數(shù)量、行為乃至營養(yǎng)策略(Dublinet al., 1990; Olofssonet al., 2004; De Micheleet al.,2011; Dioufet al., 2012; Mooney and Singer, 2012)。北方冬季寒冷低溫，積雪較深，以及食物的營養(yǎng)質(zhì)量和可利用性降低，致使東北馬鹿遭受嚴(yán)重的營養(yǎng)攝取脅迫。森林—草原交錯(cuò)帶中植物的群落組成不同于北方典型的針闊混交林，木本植物占比較低(黃晨，2015)，而野生東北馬鹿冬季主要以木本植物的嫩枝為食(黃晨等，2014；鐘林強(qiáng)，2020)。因此，為保證冬季營養(yǎng)攝入均衡，分布于森林—草原交錯(cuò)帶內(nèi)的野生東北馬鹿種群可能呈現(xiàn)特定的食物組成模式。

野生有蹄類為滿足營養(yǎng)需求在不同的時(shí)間段和環(huán)境中對食物進(jìn)行選擇，且這種選擇逐漸積累形成相對穩(wěn)定的食物組成模式，因此，對有蹄類的食物組成模式進(jìn)行分析是研究和監(jiān)測有蹄類種群營養(yǎng)狀態(tài)的基礎(chǔ)和重要組成部分。而目前，森林—草原交錯(cuò)帶中東北馬鹿的食物組成研究大多局限于冬季和種群整體，并沒有對不同年份之間以及東北馬鹿種群內(nèi)冬季食物組成的相似性和差異性進(jìn)行比較與討論(何歡，2015；邢博，2016；孫悅，2018)。本研究于2019年和2020年，分析內(nèi)蒙古森林—草原交錯(cuò)帶中東北馬鹿個(gè)體間冬季食物組成的相似性，探索東北馬鹿種群呈現(xiàn)何種食物組成模式及種群內(nèi)食物組成模式是否存在差異，為森林—草原交錯(cuò)帶中東北馬鹿?fàn)I養(yǎng)生態(tài)學(xué)的進(jìn)一步研究與保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

內(nèi)蒙古高格斯臺(tái)罕烏拉國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于內(nèi)蒙古赤峰市境內(nèi)(北緯44°41′03″～45°08′44″，東經(jīng)119°03′30″～119°39′08″)，以罕山林場為主體，海拔900 ～1 500 m，總面積106 284 hm2。該保護(hù)區(qū)與大興安嶺北部山地相連，西南部與燕山北部山地相鄰，是東亞闊葉林向西伯利亞寒溫帶針葉林、草原向森林雙重交錯(cuò)的過渡地帶。保護(hù)區(qū)內(nèi)植物區(qū)系復(fù)雜，呈現(xiàn)典型的森林—草原交錯(cuò)帶結(jié)構(gòu)，山體背陰處以白樺(Betula platyphylla)林和山楊林為主要優(yōu)勢植被，其林下灌木以興安杜鵑(Rhododendron dauricum)、繡 線菊(Spiraea salicifolia) 和胡枝子(Lespedeza bicolor)為主；山體陽坡和半陽坡以蒙古櫟林和家榆(Ulmus pumila) 林為主，林下灌木以山杏(Armeniaca sibirica)、繡線菊和虎榛子(Ostryopsis davidiana) 等為主；山體頂部向陽處則以草原為主(鄧芳，2005)(圖1)。保護(hù)區(qū)的動(dòng)物區(qū)系，呈現(xiàn)出華北區(qū)、東北區(qū)和蒙新區(qū)3 個(gè)區(qū)域之間相互滲透的狀態(tài)，主要野生動(dòng)物有東北馬鹿、狍(Capreolus pygargus)、野豬(Sus scrofa)、猞猁(Lynx lynx)、狼(Canis lupus)、黑鸛(Ciconia nigra)和大鴇(Otis tarda)等(郭金昊，2020)。

圖1 研究區(qū)域地理位置及植被分布Fig.1 The study area and vegetation distribution

1.2 糞便樣品采集

2019年3月和2020年1月，在內(nèi)蒙古高格斯臺(tái)罕烏拉國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，分別進(jìn)行為期10 d的樣品采集。根據(jù)保護(hù)區(qū)內(nèi)東北馬鹿的分布狀況，設(shè)計(jì)不同生境類型的采樣區(qū)域，由于高格斯臺(tái)地區(qū)東北馬鹿冬季的家域面積為55.87 ～114.58 hm2(楊淼，2018)，因此不同采樣區(qū)域之間間隔2 km以上。在一個(gè)采樣區(qū)域內(nèi)的隨機(jī)樣線上發(fā)現(xiàn)東北馬鹿的新鮮足跡鏈時(shí)，通過反向跟蹤足跡鏈，使用PE 手套采集新鮮的糞便樣品置于封口袋中，采集糞樣后，再尋找新的足跡鏈跟蹤，以保證在這個(gè)區(qū)域內(nèi)所采集的糞樣代表一個(gè)個(gè)體，尋找及跟蹤足跡鏈時(shí)每隔100 ～150 m 測定雪深(朱明月等，2019)。

1.3 植物樣品采集及鑒定

尋找及跟蹤東北馬鹿足跡鏈時(shí)，將所有含啃食痕跡的植物進(jìn)行采集，采集時(shí)保留該植物的花、莖、葉等具有辨識(shí)特征的器官，并詳細(xì)記錄采集日期、地點(diǎn)和生境等信息。如果采樣時(shí)部分植物的花、果實(shí)、葉枯萎凋落，則夏季在原采集地對同種植物進(jìn)行補(bǔ)采。每種植物樣本分成兩份，一份裝入牛皮紙檔案袋中，用于糞便顯微分析中植物細(xì)胞壁的對照；另一份用標(biāo)本夾收集，先依據(jù)《內(nèi)蒙古植物志》(趙一之等，2020)中的植物分類檢索表逐次逐項(xiàng)檢索，對植物物種進(jìn)行初步的判定，再與保護(hù)區(qū)的植物標(biāo)本館核對標(biāo)本進(jìn)行檢驗(yàn)。若結(jié)果一致，即確定其物種名，不一致，則請保護(hù)區(qū)的專業(yè)人員鑒定其物種名。

1.4 顯微裝片制備及拍攝

將采集到的植物樣品置于105℃烘箱中烘48 h至恒重，粉碎機(jī)粉碎后，使用80 ～100目的分樣篩分篩。取0.5 g 粉末樣品于培養(yǎng)皿中，加入濃度10%的次氯酸鈉溶液40 mL進(jìn)行消化。夾取消化良好的樣品于載玻片中，蒸餾水清洗3遍，使用甘油封片，加拿大樹脂封邊后置于10×40 顯微鏡下觀察，選取細(xì)胞結(jié)構(gòu)清晰，無雜質(zhì)的視野進(jìn)行拍照(朱明月等，2019)。每種植物樣本制片10張，拍攝50 張照片，構(gòu)建植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)形態(tài)圖譜，用于糞便顯微裝片鏡檢時(shí)鑒定植物組織碎片。

將采集到的糞便樣品置于105℃烘箱中烘48 h至恒重，用研缽研磨后以上述相同方法制備顯微裝片。每個(gè)糞便樣本制片15 張。將制作好的糞便顯微裝片置于10 × 40 的電子照相顯微鏡下鏡檢，每張裝片按由左到右、由下到上的方向選取20 個(gè)視野拍照，拍攝時(shí)兩個(gè)視野間留出1 個(gè)視野不拍攝，1個(gè)植物碎片記為1次。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

通過頻率轉(zhuǎn)換法F= 100(1 -e-Di)(Johnson，1982)，計(jì)算每個(gè)糞堆中每種植物可辨認(rèn)碎片的平均密度(D)，每種植物的相對密度(relative density,RD)通過公式：RD=Di∑Di計(jì)算得出，并以RD作為野生東北馬鹿食物組成的標(biāo)準(zhǔn)。使用Shapiro-Wilk 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布。采用Mann-WhitneyUtest比較兩年冬季中各食物組成RD值之間的差異，顯著性水平設(shè)置為α=0.05。

通過Shannon-Weiner 多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)和營養(yǎng)生態(tài)位指數(shù)(B)分析冬季東北馬鹿食物組成的多樣性(呂忠海等，2019)。

式中，Pi為植物i碎片與總碎片的比值，HMAX=lnS，S為植物種數(shù)。以東北馬鹿2019 年和2020 年糞便顯微分析中各植物的多度為原始數(shù)據(jù)(行代表糞便樣本，列代表植物種類)，由于原始數(shù)據(jù)為多度數(shù)據(jù)，且量綱一致，同時(shí)為避免排序時(shí)可能出現(xiàn)的弓形效應(yīng)，使用去趨勢分析(Detrended correspondence analysis,DCA)對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，以分析東北馬鹿冬季食物組成的相似性模式(Graham and Vrijenhoek, 1988; Loureiro-Crippa and Hahn, 2006；張瑋琪等，2019)。所有統(tǒng)計(jì)在R 軟件(4.1.0 版本) 中實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果

2.1 東北馬鹿冬季食物組成

2019 年3 月，平均雪深3.2 cm，共采集新鮮糞便33 堆，辨認(rèn)植物組織碎片11 205 個(gè)。共采食21 種(科) 植物，RD 值大于1%的食物有9 種，其中 禾 本 科 (Poaceae spp.) (26.44%)、 蒙 古 櫟(20.63%)、山杏(15.23%)、家榆(14.48%)和細(xì)葉沼柳(Salix rosmarinifolia)(8.22%)等為東北馬鹿在該時(shí)間段內(nèi)的主要食物，共占85.00% (圖2)。在取食植物類別上以木本植物為主，為67.16%；草本植物共占30.70%，其中禾本科占26.44%，非禾本科占4.26%。

2020 年1 月，平均雪深6.7 cm，共采集新鮮糞便65 堆，辨認(rèn)植物組織碎片20 197 個(gè)。共采食22 種(科)植物，RD 值大于1%的食物有12 種，其中蒙古櫟(23.94%)、細(xì)葉沼柳(16.77%)、山杏(15.13%)、禾本科(10.86%)、云杉(Picea asperata) (9.88%) 和家榆(7.07%) 等為東北馬鹿在該時(shí)間段內(nèi)的主要食物，共占83.66% (圖2)。在取食植物類別上，木本植物較2019 年顯著提高，占比達(dá)83.76%；而草本植物取食較少，共占15.62%，其中禾本科占10.86%，非禾本科占4.76%。

2019 年和2020 年冬季東北馬鹿采食的食物種類相似，均以蒙古櫟、山杏、細(xì)葉沼柳、家榆以及禾本科等植物為主要食物，但兩年冬季中云杉、家榆、白樺等部分食物的RD 值存在顯著差異(圖2)。

圖2 森林—草原交錯(cuò)帶東北馬鹿冬季食物組成及差異顯著分析.*P ＜0.05,**P ＜0.01,***P ＜0.001Fig. 2 Difference of food composition of red deer in forest-grassland ecotone in winter.*P ＜0.05,**P ＜0.01,***P ＜0.001

2020 年冬季東北馬鹿的可食植物種數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)以及營養(yǎng)生態(tài)位指數(shù)均大于2019年冬季(表1)。

表1 森林—草原交錯(cuò)帶東北馬鹿冬季食物多樣性、均勻度及營養(yǎng)生態(tài)位指數(shù)Table 1 Food diversity,evenness,and torphic niche index of red deer in forest-grassland ecotone in winter

2.2 東北馬鹿冬季食物組成去趨勢分析

將兩年冬季中98 堆東北馬鹿糞樣的食物組成按食物種類通過去趨勢分析進(jìn)行排序并繪制了95%的置信橢圓區(qū)間，4 個(gè)軸的特征值分別是0.465 0、0.198 4、0.125 7 及0.102 5，軸1 和軸2能夠解釋數(shù)據(jù)74.41%的變化(表2，圖3)。2019年和2020 年的樣本在第二象限以及第三象限中有較大重疊，即兩年冬季中東北馬鹿大部分個(gè)體呈現(xiàn)出以蒙古櫟、山杏、細(xì)葉沼柳、家榆和禾本科為主要食物的食物組成模式，而2020年部分個(gè)體在1軸具有較高評分，且遠(yuǎn)離大部分個(gè)體，表明這些個(gè)體具有不同的以云杉為主的食物組成模式(圖3a)。鐵桿蒿(Artemisia gmelinii)、衛(wèi)矛(Euonymus alatus)、山刺玫(Rosa davurica) 和益母草(Leonurusjaponicus)等RD 值小于1%的偶食食物在排序圖中均離原點(diǎn)較遠(yuǎn)，表明偶食食物具有較高信息荷載量，即東北馬鹿個(gè)體間偶食食物所占的比例存在較大變化(圖3b)。而蒙古櫟、山杏等雖為東北馬鹿的主要食物，但離原點(diǎn)相對較近，信息荷載量較低，表明冬季東北馬鹿種群對蒙古櫟、山杏等食物采食的比例較為穩(wěn)定。毛蓮蒿(Artemisia vestita)、落葉松(Larix gmelinii)和益母草在1 軸和2 軸上的評分相似，表明毛蓮蒿、落葉松和益母草傾向于同時(shí)出現(xiàn)在東北馬鹿食物中，與之類似，艾蒿(Artemisia lavandulifolia)和山杏也傾向于同時(shí)出現(xiàn)在東北馬鹿食物中。

圖3 東北馬鹿冬季食物組成按食物種類DCA排序. a：糞便樣本；b：食物物種Fig. 3 DCA of the food composition of red deer by food species in winter. A:fecal samples;b:food species

按東北馬鹿食物類別進(jìn)行去趨勢分析結(jié)果顯示，4 個(gè)軸的特征值分別為0.551 2、0.149 8、0.072 3 及0.247 9，軸1 和軸2 能夠解釋數(shù)據(jù)68.65%的變化(表3，圖4)。1 軸能夠區(qū)分針葉喬木和落葉喬木，2 軸能夠區(qū)分禾本科草本與其他植物類別。落葉喬木和灌木傾向于同時(shí)出現(xiàn)在東北馬鹿食物中，而禾本科草本、非禾本科草本及針葉喬木都不傾向于與其他植物類別同時(shí)出現(xiàn)。落葉喬木和灌木在1 軸和2 軸上的評分均較低，離原點(diǎn)較近，暗示這些植物是東北馬鹿的主要食物但不是導(dǎo)致食物組成變化的主要因素。針葉喬木和禾本科草本分別在1 軸及2 軸上有較高的評分，且離原點(diǎn)較遠(yuǎn)，而針葉喬木在1軸上具有較高評分是由于2020 年部分個(gè)體大量取食云杉所致。因此禾本科和云杉是引起東北馬鹿冬季食物組成變化的主因。

表3 以食物類別分類進(jìn)行DCA的物種得分表和特征根Table 3 Table of species scores and eigenvalues for DCA by food type classification

圖4 東北馬鹿冬季食物組成按食物類別DCA排序. a：糞便樣本；b：食物類別Fig. 4 DCA of the food composition of red deer by food type in winter. a:fecal samples;b:food type

3 討論

3.1 東北馬鹿冬季食物組成

2019 年和2020 年冬季，東北馬鹿取食的植物物種基本穩(wěn)定，均以蒙古櫟、山杏、細(xì)葉沼柳、家榆和禾本科草本為主要食物，這與此前內(nèi)蒙古森林—草原交錯(cuò)帶中東北馬鹿冬季的食性研究結(jié)果相似(黃晨，2015；何歡，2015；邢博，2016；孫悅，2018)，但較高比例采食云杉(9.88%) 這一現(xiàn)象并未在此前研究中發(fā)現(xiàn)。云杉屬針葉樹種，含有較高的次生代謝產(chǎn)物并適口性較差，有蹄類通常會(huì)避免過多取食此類植物(Verheyden-Tixieret al., 2008;Azoritet al., 2012)。而本研究中東北馬鹿大量采食云杉的現(xiàn)象可能與有蹄類在食物短缺時(shí)會(huì)以針葉樹種作為補(bǔ)充食物的采食策略有關(guān)(Cr?te and Courtois, 1997; Stormset al., 2008)。2020 年冬季，內(nèi)蒙古森林—草原交錯(cuò)帶中雪被較厚，許多低矮的草本植物及落葉等食物被積雪覆蓋，且交錯(cuò)帶中木本植物占比較低，東北馬鹿食物的可獲得性降低，而云杉含有較高的蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物等營養(yǎng)物質(zhì)(鐘林強(qiáng)，2020)，因此東北馬鹿可能通過采食較高比例的云杉來彌補(bǔ)主要食物不足(竇紅亮，2013；張瑋琪，2013)。

兩年冬季的東北馬鹿食物組成中，部分食物的RD 值差異顯著，2020年冬季東北馬鹿顯著取食更多比例的細(xì)葉沼柳、白樺以及繡線菊；而2019年冬季則顯著取食更多比例的家榆、衛(wèi)矛、禾本科以及叉分蓼(Polygonum divaricatum)。造成這種差異的原因可能是環(huán)境，與2020 年相比，2019 年冬季雪被較淺，氣溫較高，低矮的草本植物及家榆落葉等食物裸露在地表未被積雪覆蓋，可獲得性高。同時(shí)，2020 年冬季東北馬鹿的食物多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)以及營養(yǎng)生態(tài)位指數(shù)均較大，與Dumont 等(2005) 和Seto 等(2015) 的研究結(jié)果相似，這也驗(yàn)證了有蹄類在食物資源較為豐富時(shí)，只取食那些優(yōu)質(zhì)食物；而在食物資源匱乏時(shí)，增加食物種類來彌補(bǔ)主要食物攝入不足(Nudds,1980)。雖然上述食物的RD 值差異顯著，但家榆、細(xì)葉沼柳和禾本科在兩年冬季中均作為東北馬鹿主要食物出現(xiàn)，而白樺、衛(wèi)矛、繡線菊和叉分蓼也均為偶食食物，表明森林—草原交錯(cuò)帶中東北馬鹿冬季的食物組成較為穩(wěn)定。

3.2 冬季東北馬鹿食物組成模式

結(jié)合東北馬鹿冬季食物種類排序圖、食物類別排序圖以及食物組成數(shù)據(jù)，表明在2019 年和2020 年冬季，大多數(shù)東北馬鹿的主要食物組成是蒙古櫟、山杏、細(xì)葉沼柳、家榆等落葉喬木和灌木，同時(shí)采食較高比例禾本科草本植物的模式。這種食物組成模式與主要由山地森林植被類型、灌叢植被類型和草原植被類型組成的內(nèi)蒙古森林—草原交錯(cuò)帶的生境結(jié)構(gòu)相符合(鄧芳，2005)。但與黑龍江典型森林生態(tài)系統(tǒng)中東北馬鹿的食物組成模式存在較大差異，在典型森林生態(tài)系統(tǒng)的東北馬鹿冬季食物中木本植物占90%以上，較少甚至不取食禾本科草本植物(李言闊和張明海，2005；張瑋琪，2013；黃晨等，2014；黃晨，2015；馮源，2018；朱明月等，2019)。這說明當(dāng)植被類型的空間格局發(fā)生變化時(shí)，有蹄類的食物選擇將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變(李俊生等，2003)，進(jìn)而導(dǎo)致食物組成模式也發(fā)生變化(Hu,2002)。

研究結(jié)果顯示，2020 年冬季部分東北馬鹿呈現(xiàn)出以云杉為主要食物(RD 值＞60%)的食物組成模式。這種模式與東北地區(qū)的駝鹿(Alces alces)在營養(yǎng)攝取脅迫期間通過采食大量云杉來彌補(bǔ)食物不足的采食策略相同(張瑋琪，2013；竇紅亮，2013)，且本研究中大量采食云杉的樣本數(shù)量占2020 年冬季樣本量的12.3%，占兩年冬季總樣本量的8.2%?？梢?，部分東北馬鹿個(gè)體大量采食云杉并不是偶然行為，而是應(yīng)對冬季食物短缺時(shí)，所呈現(xiàn)出的特殊食物組成模式。